A model of thermophoresis of colloidal proteins in water using non-Fickian diffusion currents

تخيل قطرة ماء تحمل جزيئات بروتينية متناهية الصغر وغير مرئية. إذا قمت بتسخين أحد جانبي تلك القطرة، فإن هذه الجزيئات لا تكتفي بالجلوس ساكنة؛ بل تبدأ في الحركة، منجذبة نحو الحرارة أو هاربة منها. هذه الحركة، المعروفة باسم "التحرك الحراري" (thermophoresis)، هي عملية أساسية تساعد الخلايا على تنظيم آلياتها الداخلية وتسمح للعلماء بفصل الجزيئات البيولوجية في المختبر. لأكثر من قرن، فهم الفيزيائيون أن الجسيمات تتحرك استجابةً للتغيرات في درجات الحرارة، لكن السبب الدقيق وراء تحركها في اتجاه معين أو آخر ظل لغزاً مستعصياً. يعتمد هذا التحرك على توازن دقيق بين مدى سهولة انزلاق الجسيمات عبر السائل والقوى غير المرئية التي يمارسها السائل عليها عند سطحها. وبينما علم العلماء منذ زمن طويل أن الجسيمات تنتشر، أو تتوزع، في سائل منتظم، إلا أن هناك واقعاً أكثر تعقيداً يوجد عندما يكون السائل نفسه غير منتظم. ففي وجود تدرج حراري، تتغير خصائص السائل من نقطة إلى أخرى، مما يخلق تياراً خفياً يدفع الجسيمات بطرق قد تغفل عنها معادلات الفيزياء القياسية.

لقد نجح فريق من الباحثين في المعهد الهندي للتعليم والبحث العلمي في بونا في إخراج هذا التيار الخفي إلى الضوء، مقدمين تفسيراً جديداً لكيفية تحرك البروتينات في الماء الدافئ. لقد أعادوا زيارة مفهوم من عشرينيات القرن الماضي، اقترحه في الأصل الفيزيائي سيدني تشابمان، والذي يشير إلى أنه عندما تتغير قدرة السائل على السماح للجسيمات بالحركة عبر الفضاء، فإنه يولد نوعاً خاصاً من التدفق. هذا التدفق، الذي يسميه المؤلفون "تيار الانتشار غير الفيكي" (non-Fickian diffusion current)، يعمل كدفعة إضافية تتجاهلها النماذج القياسية. ومن خلال الجمع بين هذه الفكرة القديمة والفهم الحديث لسلوك الماء حول البروتينات، بنى الباحثون نموذجاً يتنبأ بنجاح بكيفية سلوك البروتينات المختلفة في التدرج الحراري. ويشير عملهم إلى أنه لفهم سبب تحرك البروتين نحو الحرارة أو بعيداً عنها حقاً، يجب مراعاة هذه الدفعة الإضافية، التي تنشأ ببساطة لأن الماء المحيط بالجسيم تتغير لزوجته وكثافته مع تغير درجة الحرارة.

ركز الباحثون على ثلاثة بروتينات محددة موجودة في الطبيعة: الليزوزيم، وهو إنزيم شائع موجود في بياض البيض؛ وBLGA، وهو بروتين من الحليب؛ وبولي-إل-ليسين، وهو سلسلة من الأحماض الأمينية. لقد أخذوا بيانات تجريبية موجودة تظهر كيفية تفاعل هذه البروتينات مع تغيرات درجات الحرارة وقارنوها بنموذجهم الرياضي الجديد. كانت النتائج مذهلة؛ فالنموذج، الذي تضمن التيار غير الفيكي، طابق البيانات التجريبية بشكل شبه مثالي عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. وقد تنبأ بدقة بدرجة الحرارة المحددة التي سيغير عندها كل بروتين سلوكه، من الهروب من الحرارة إلى البحث عنها، أو العكس. وتعد نقطة التحول هذه بالغة الأهمية لأنها تحدد درجة الحرارة التي يصل فيها تركيز البروتين في الماء إلى ذروة أو قاع. ووجد الباحثون أنه بدون تضمين تيار الانتشار الخاص هذا، لم يستطع نموذجهم إعادة إنتاج المنحنيات المشاهدة في المختبر. لم تكن الدفعة الإضافية مجرد تفصيل ثانوي؛ بل كانت المفتاح لفك شفرة النمط.

لفهم سبب أهمية هذا التيار، يجب النظر إلى البيئة المحيطة بالبروتين. فمع تغير درجة الحرارة، يتغير الماء نفسه؛ إذ يتمدد، وتتغير كثافته، وتتغير مقاومته للتدفق، أو لزوجته. وأظهر الباحثون أن هذه التغييرات في الماء تخلق تدرجاً في مدى سهولة حركة البروتين. فعندما يتحرك جسيم من منطقة يمكنه فيها الانزلاق بسهولة إلى منطقة يتحرك فيها بصعوبة أكبر، تولد الظروف المتغيرة قوة. هذه القوة تختلف عن السحب أو الاحتكاك المعتاد؛ فهي نتيجة مباشرة لحقيقة أن قواعد الحركة تختلف عند كل نقطة في السائل. وقد أثبت الفريق أن هذا التأثير، مقترناً بالطريقة المحددة لتفاعل البروتين مع جزيئات الماء عند سطحه، يخلق أنماط الحركة المعقدة الملحوظة في التجارب. ووجدوا أن قوة هذا التأثير تعتمد على مدى ازدحام البروتينات وكيفية استجابة لزوجة الماء للحرارة.

كما أوضحت الدراسة ما الذي لا يقود هذه الحركة. فقد استبعد الباحثون صراحةً فكرة أن الشحنات الكهربائية القوية بين البروتينات والماء هي السبب الرئيسي للأنماط التي لاحظوها. لقد اختاروا بروتينات وظروفاً تكون فيها هذه القوى الكهربائية في حدها الأدنى لعزل تأثير تيار الانتشار. ومن خلال القيام بذلك، أثبتوا أن التيار غير الفيكي وحده، المدفوع بتغير خصائص الماء، كافٍ لتفسير السلوك الملحوظ. ويمثل هذا تحولاً كبيراً في المنظور، حيث ركزت العديد من النظريات السابقة بشدة على التفاعلات الكهربائية أو التوتر السطحي. ويشير النموذج الجديد إلى أن الهندسة الفيزيائية لاستجابة الماء للحرارة لا تقل أهمية عن الطبيعة الكيميائية للبروتين.

وفي تحليلهم، نظر الباحثون أيضاً في كيفية سلوك هذه البروتينات عندما لا يتم تسخين الماء، بل عندما يكون في حالة مستقرة. ووجدوا أن نفس المبادئ الرياضية التي تفسر الحركة في التدرج الحراري تصف أيضاً كيف تستقر البروتينات في تركيز مستقر عندما تكون في حالة توازن مع البلورات الصلبة. وهذا الارتباط بين الحالة المتحركة والحالة الساكنة يعزز الحجة بأن التيار غير الفيكي هو جزء أساسي من كيفية سلوك هذه الجسيمات. وهذا يعني أن نفس الدفعة الخفية التي تدفع البروتين عبر التدرج الحراري تعمل أيضاً عندما يكون النظام هادئاً، مما يشكل التوزيع النهائي للجسيمات.

تكمن نجاح هذا النموذج في قدرته على التقاط الشكل الكامل للمنحنيات التجريبية باستخدام عدد قليل من المعلمات الرئيسية. لم يحتج الباحثون إلى ابتكار قوى جديدة معقدة أو الاعتماد على متغيرات مجهولة؛ بل استخدموا الخصائص المعروفة للماء، مثل كيفية تغير كثافته ولزوجته مع درجة الحرارة، وطبقوا مفهوم التيار غير الفيكي. ووجدوا أن رقماً واحداً، يمثل كيفية تغير حركة البروتين مع تركيزه الخاص، كان كافياً لتحديد ما إذا كان البروتين سيتحرك نحو الحرارة أو بعيداً عنها. تشير هذه البساطة إلى أن هذه الظاهرة محكومة بمبادئ فيزيائية عالمية بدلاً من الخصائص الكيميائية الفريدة لكل بروتين.

إن هذا العمل لا يكتفي بشرح مجموعة محددة من التجارب فحسب، بل يقدم عدسة جديدة يمكن من خلالها رؤية حركة الجسيمات المجهرية في السوائل. فمن خلال الاعتراف بأن قدرة السائل على نقل الجسيمات ليست ثابتة بل تتغير مع البيئة، كشف الباحثون عن آلية تم التغاضي عنها سابقاً. وتشير نتائجهم إلى أنه في أي حالة يوجد فيها تدرج في درجة الحرارة والتركيز، يكون هذا التيار الإضافي حاضراً، مشكلاً سلوك كل شيء بدءاً من الخلايا البيولوجية وصولاً إلى المواد الصناعية. وتخلص الورقة البحثية إلى أن تجاهل هذا التيار يؤدي إلى صورة غير مكتملة للتحرك الحراري. فلفهم كامل لكيفية تحرك الجسيمات في سائل دافئ، يجب قبول حقيقة أن السائل نفسه مشارك نشط، يدفع ويجذب بطرق تعتمد على التغييرات التي يمر بها.